斷級配綜合穩(wěn)定碎石的路用性能

李天宇，王朝輝，李彥偉，2

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064;2.石家莊市交通運(yùn)輸局，河北石家莊 050051)

斷級配綜合穩(wěn)定碎石的路用性能

李天宇1，王朝輝1，李彥偉1，2

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064;2.石家莊市交通運(yùn)輸局，河北石家莊 050051)

為改善水泥穩(wěn)定碎石基層的路用性能，采用間斷級配并添加粉煤灰材料制備一種適用于路面基層的斷級配綜合穩(wěn)定碎石，通過室內(nèi)試驗(yàn)測試斷級配綜合穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、溫縮系數(shù)與干縮系數(shù)等性能指標(biāo)，并與連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石相對比，確定斷級配綜合穩(wěn)定碎石的路用性能。結(jié)果表明:斷級配綜合穩(wěn)定碎石具有優(yōu)良的力學(xué)性能與抗收縮開裂性能，與連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石相比，其90 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度分別提高了38．1%與26．5%，平均溫縮系數(shù)與總干縮系數(shù)分別減小了31．7%與25．4%。

水泥穩(wěn)定碎石;間斷級配;粉煤灰;路用性能

1 原材料

斷級配綜合穩(wěn)定碎石所用原材料主要包括集料、水泥、粉煤灰和水。本試驗(yàn)所用水泥為42．5#普通硅酸鹽水泥;碎石集料由河北產(chǎn)石灰?guī)r軋制而成，經(jīng)檢測滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)中對粗集料的技術(shù)要求;粉煤灰購自西安某火力發(fā)電廠;水為標(biāo)準(zhǔn)飲用水。水泥與粉煤灰的技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果見表1、2。

2 混合料組成設(shè)計

2．1 碎石集料級配組成

為測試并評價斷級配綜合穩(wěn)定碎石的路用性能，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求與現(xiàn)有的級配理論研究成果，同時借鑒SMA瀝青混凝土的設(shè)計思想［13-15］，設(shè)計了具有骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的間斷級配以及與之對比的具有懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的連續(xù)級配。以上2種不同級配的配比組成見表3。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)

2．2 原材料配比

根據(jù)規(guī)范JTG/T F20—2015推薦的水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石與水泥穩(wěn)定碎石配比，確定斷級配綜合穩(wěn)定碎石的組成材料質(zhì)量比，即泥、粉煤灰、集料的比例為4∶12∶84，連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石中水泥與集料的質(zhì)量比為4∶96。

表3 集料級配組成

為確定2種不同基層材料的用水量，根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)，采用含水量-干密度試驗(yàn)分別確定斷級配綜合穩(wěn)定碎石與連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水量與最大干密度［16-17］。試件成型方法為振動壓實(shí)法，振動頻率30 Hz，振動時間100 s。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 原材料配比組成

3 斷級配綜合穩(wěn)定碎石路用性能研究

3．1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

考慮到振動壓實(shí)法更有利于骨料顆粒相互靠攏形成嵌擠結(jié)構(gòu)，本文采用振動壓實(shí)法成型Φ150 mm×150 mm圓柱形試件，借助TYE-2000B型壓力試驗(yàn)機(jī)測試試件在7、28、90 d齡期時的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，斷級配綜合穩(wěn)定碎石與連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期增長的變化曲線如圖1所示。

圖1 不同基層材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期增長變化曲線

由圖1可知，斷級配綜合穩(wěn)定碎石的7 d抗壓強(qiáng)度略低于連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石，但差異并不明顯。隨著試件齡期的增長，斷級配綜合穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度逐漸超過連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石，斷級配綜合穩(wěn)定碎石90 d的抗壓強(qiáng)度已達(dá)15．6 MPa，高出連續(xù)級配38.1%;且根據(jù)曲線走勢可以判斷，連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度從28 d之后便趨于平緩，而斷級配綜合穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度在90 d時仍有繼續(xù)發(fā)育增長的潛力。

根據(jù)水泥硬化機(jī)理和級配理論，分析引起2種不同配比基層材料強(qiáng)度差異的主要原因?yàn)?粉煤灰的摻入會抑制水泥的早期水化，減弱試件硬化初期膠結(jié)材料對集料的黏結(jié)作用，但同時配比合理的間斷級配粗骨料可形成嵌擠結(jié)構(gòu)，在一定程度上提高材料抗壓能力，故斷級配綜合穩(wěn)定碎石的早期強(qiáng)度與連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石無顯著差異;然而，隨著試件齡期的增長，水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2與粉煤灰不斷發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成膠凝產(chǎn)物的同時進(jìn)一步激化了水泥的水化，故斷級配綜合穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度在后期仍能持續(xù)發(fā)育增長［18-20］。

3．2 彎拉強(qiáng)度

采用靜壓法成型100 mm×100 mm×400 mm梁形試件，使用數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)以三分點(diǎn)加壓的方式測定試件在90 d齡期時的彎拉強(qiáng)度，加載速率為50 mm·min－1。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同基層材料90 d彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，斷級配綜合穩(wěn)定碎石的90 d彎拉強(qiáng)度相比連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石提高了26．5%，這是由于斷級配綜合穩(wěn)定碎石的粗骨料間嵌擠作用顯著，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，且粉煤灰的加入在后期可激發(fā)水泥的二次水化，增強(qiáng)對集料的黏結(jié)作用。

3．3 溫縮性能

采用靜壓法成型100 mm×100 mm×400 mm梁形試件，使用溫縮試驗(yàn)儀測定試件在干燥情況下的溫縮系數(shù)。試驗(yàn)前將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d的梁形試件在105℃的工業(yè)鼓風(fēng)干燥箱中烘干12 h，然后放置至室溫，試驗(yàn)溫度變化范圍為50℃至0℃。2種不同基層材料的溫縮系數(shù)隨溫度的變化情況如圖2所示。

圖2 不同基層材料28 d溫縮系數(shù)隨溫度的變化

分析圖2可知，隨著溫度的不斷降低，2種不同基層材料的溫縮系數(shù)呈上升趨勢，其中連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石的平均溫縮系數(shù)為10.4×10－6℃－1，斷級配綜合穩(wěn)定碎石為7.1×10－6℃－1，相比連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石減小了31．7%。此外，在不同降溫區(qū)間，斷級配綜合穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)均小于連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石，二者的差值始終保持在3.3×10－6℃－1左右。

影響穩(wěn)定碎石基層溫縮系數(shù)的主要因素包括材料組成與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度2個方面。斷級配綜合穩(wěn)定碎石的結(jié)構(gòu)密實(shí)性好、空隙率小，且28 d齡期時，斷級配綜合穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度優(yōu)于連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石，降溫時組成材料顆粒之間的牽制與約束作用更強(qiáng)，故斷級配綜合穩(wěn)定碎石的抗溫縮性能更好［21-22］。

3．4 干縮性能

采用靜壓法成型100 mm×100 mm×400 mm梁形試件，借助干縮架與千分表測定試件的干縮應(yīng)變，同時進(jìn)行平行失水率試驗(yàn)。試驗(yàn)前試件養(yǎng)生6 d，飽水1 d，試驗(yàn)時長28 d。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 不同基層材料干燥收縮試驗(yàn)結(jié)果

分析表6可知，斷級配綜合穩(wěn)定碎石試驗(yàn)期間的總干縮應(yīng)變相比連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石減小了25．4%，總干縮系數(shù)降低了34．8%，其抗干縮性能優(yōu)于連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石。這主要是由于:粉煤灰的摻加在一定程度上抑制了水泥顆粒的早期水化，降低了C-S-H的鈣硅比和集料界面區(qū)域Ca(OH)2的生成量，從而減小了因水泥水化引起的混合料收縮;另一方面，斷級配綜合穩(wěn)定碎石具有骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，且未參與反應(yīng)的粉煤灰玻璃微珠進(jìn)一步提高了其整體密實(shí)性，混合料的孔隙結(jié)構(gòu)相對較少，因此降低了因混合料中毛細(xì)水蒸發(fā)而帶來的收縮。

4 結(jié) 語

(1)斷級配綜合穩(wěn)定碎石的后期強(qiáng)度優(yōu)于連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石。齡期為90 d時，斷級配綜合穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度為15．6 MPa，彎拉強(qiáng)度為1.86 MPa，相比連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石分別提高了38.1%與26．5%。

(2)斷級配綜合穩(wěn)定碎石的溫縮性能良好，其28 d 平均溫縮系數(shù)為7．1×10－6℃－1，且在不同降溫區(qū)間，斷級配綜合穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)均小于連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石，二者相差約3.3×10－6℃－1。

(3)斷級配綜合穩(wěn)定碎石具有優(yōu)良的抵抗干縮開裂的能力。在失水率相近的情況下，斷級配綜合穩(wěn)定碎石的總干縮應(yīng)變相比連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石減小了25．4%，總干縮系數(shù)降低了34．8%。

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Pavement Performance of Gap-graded Composite-stabilized Aggregate Base

LI Tian-yu1，WANG Chao-hui1，LI Yan-wei1，2
(1．School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China;2．Transportation Bureau of Shijiazhuang City，Shijiazhuang 050051，Hebei，China)

In order to improve the pavement performance of the cement-treated base，gap grading and composite stabilization of cement and fly ash were applied．The unconfined compressive strength，flexural strength，coefficient of temperature shrinkage and coefficient of dry shrinkage of the aggregate base were measured by indoor tests．Compared with continuously-graded cement-treated base， the pavement performance of the gap-graded composite-stabilized aggregate base was determined．The results show that the gap-graded composite-stabilized aggregate base has excellent mechanical properties and shrinkage resistance;compared with continuously-graded cement-treated base，the 90 d unconfined compressive strength and flexural strength increase by 38．1%and 26．5%respectively，and the average coefficient of temperature shrinkage and total coefficient of dry shrinkage decrease by 31．7%and 25．4%．

cement-treated base;gap grading;fly ash;pavement performance

U416．1

B

1000-033X(2017)09-0051-04

0 引 言

水泥穩(wěn)定碎石因具有良好的力學(xué)性能、水穩(wěn)定性能與抗凍性能而被廣泛應(yīng)用于路面基層結(jié)構(gòu)，但它同時存在早期強(qiáng)度不足、易開裂等問題，導(dǎo)致不同程度的路面病害［1-4］。粉煤灰是煤粉經(jīng)高溫煅燒后生成的固體工業(yè)廢料，具有較高的火山灰活性。在水泥穩(wěn)定碎石中摻入粉煤灰，可與水泥相互作用生成大量膠凝性物質(zhì)，提高水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度并改善其綜合路用性能［5-8］。此外，大量研究指出，骨料級配對水泥穩(wěn)定碎石的路用性能有著重要影響，使用具有骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的間斷級配，有利于提高水泥穩(wěn)定碎石的早期強(qiáng)度與抗裂性能［9-12］。由此可見，摻加粉煤灰與使用配比合理的間斷級配均有利于改善水泥穩(wěn)定碎石的路用性能，若將二者的作用結(jié)合起來，有望進(jìn)一步提高水泥穩(wěn)定碎石的綜合路用性能。然而，目前關(guān)于采用間斷級配設(shè)計的水泥粉煤灰綜合穩(wěn)定碎石的研究較少，用于分析其路用性能變化規(guī)律的可參考數(shù)據(jù)有限，這在一定程度上阻礙了此類材料在路面基層中的推廣應(yīng)用。

為此，本文制備一種適用于路面基層的斷級配綜合穩(wěn)定碎石，并對其進(jìn)行強(qiáng)度性能與收縮性能室內(nèi)試驗(yàn)，通過與連續(xù)級配水泥穩(wěn)定碎石相對比，確定斷級配綜合穩(wěn)定碎石的綜合路用性能，為此類材料的深入研究與推廣應(yīng)用提供參考。

2017-02-12

王朝輝(1980-)，男，河南滑縣人，教授，博士，研究方向?yàn)榈缆饭こ獭?/p>

［責(zé)任編輯:王玉玲］